雙氧水生產(chǎn)工藝混合污泥脫水處理技術(shù)

朱健榮，李永帥

(1 上海阿科瑪雙氧水有限公司，上海 201108；2 華東理工大學(xué)化工學(xué)院，上海 200237)

近年來，隨著國內(nèi)工業(yè)化不斷深入和經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，每年都會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)污泥和市政污泥。污泥中含有的大量有機(jī)物，重金屬，微生物，病原菌等有毒有害物質(zhì)，容易造成二次污染，威脅著人類的身心健康。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2020年我國的污泥產(chǎn)量在6 000萬噸(含水率80%)以上，預(yù)計(jì)到2023年每年產(chǎn)生約8 000萬噸的含水污泥，未來污水污泥處理規(guī)模將逐年增加[1]。如何綠色高效的處理污泥，是目前我國乃至全球亟待解決的重大環(huán)境課題之一。

國內(nèi)傳統(tǒng)的雙氧水生產(chǎn)工藝為有機(jī)蒽醌法工藝，其產(chǎn)生的廢水包含來自工藝過程中大量的蒽醌類及芳香烴類有機(jī)物和生活污水。混合污水依次經(jīng)過缺氧池-好氧池流程的生化系統(tǒng)處理、芬頓化學(xué)氧化處理后，產(chǎn)生了性質(zhì)不同的生化污泥與化學(xué)氧化污泥，之后采用化學(xué)絮凝法脫水干化處理混合污泥[2]。本文通過對(duì)蒽醌法生產(chǎn)雙氧水工藝中的混合污泥脫水處理絮凝劑的選擇以及工藝條件的優(yōu)化，提供了一種高效處理混合污泥深度脫水的思路與方向。

1 污泥深度脫水簡介

在工業(yè)生產(chǎn)和城市生活中會(huì)產(chǎn)生大量的污水，污水中含有0.3%～0.5%污泥，并且隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，污泥產(chǎn)量將會(huì)不斷增加。一般通過沉降法、濃縮法初步分離污水和污泥，此時(shí)的污泥中含有大量的水分，一般含水率為95%～97%。污泥中的水可分為自由水、間隙水、表面水和結(jié)合水，其含量分別約占總水量的70%、20%、7%和3%[3-4]。含量大的自由水和間隙水可以通過重力沉降法和機(jī)械脫水法除去，而含量低的表面水和結(jié)合水脫水難度大，例如含量最低結(jié)合水需要在105 ℃熱化學(xué)作用下才可以釋放脫去。

在化學(xué)絮凝法處理混合污泥過程中，絮凝劑的類型以及添加量對(duì)于最終含水率有重要影響。常用的絮凝劑可分為無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑兩類[7]。無機(jī)絮凝劑的作用機(jī)理是中和廢水中的相反電荷膠體，并壓縮雙電層，使膠體脫穩(wěn)凝聚，減弱污泥的表面張力[8]，最終實(shí)現(xiàn)固液分離，但是該絮凝劑的缺點(diǎn)是投加量大，對(duì)環(huán)境不友好。有機(jī)絮凝劑通過吸附橋架作用[9-10]使凝聚顆?？焖傩纬纱笮鯃F(tuán)，易于分離，缺點(diǎn)是形成的絮體抗干擾性不強(qiáng)，易破碎，濾餅含水率高，價(jià)格也更昂貴。若將無機(jī)絮凝劑與有機(jī)絮凝劑復(fù)配成的復(fù)合型絮凝劑，則可同時(shí)具有無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)，形成穩(wěn)定的互溶體系，絮體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沉降能力更強(qiáng)，尤其對(duì)成分復(fù)雜的混合污泥，效果更為突出。

在實(shí)際處理工藝中，若絮狀體受到較大的擾動(dòng)或者停留時(shí)間過長，容易造成絮體破碎，影響污泥干化的最終含水率，所以在選擇最佳的絮凝劑的同時(shí)，處理裝置的工藝條件參數(shù)也至關(guān)重要。

本文將三氯化鐵和聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)復(fù)配作為復(fù)合絮凝劑，選擇最佳的復(fù)配比與用量以及最優(yōu)化的工藝操作條件對(duì)混合污泥絮凝深度脫水進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 污泥濃縮脫水工藝

蒽醌法產(chǎn)生的混合污泥主要是來自芬頓氧化系統(tǒng)的化學(xué)氧化污泥(體積占比30%)和生化處理系統(tǒng)的生化污泥(體積占比70%)，污泥由程序控制排入污泥配置罐，加入絮凝劑，攪拌后進(jìn)入污泥沉降罐沉降，最終進(jìn)入板式壓濾機(jī)壓濾系統(tǒng)進(jìn)一步脫水干化。

圖1 混合污泥脫水處理工藝簡圖Fig.1 Sketch of mixed sludge dewatering process

2.2 材料與試劑

三氯化鐵水溶液(41%)；

PAM水溶液(0.25%)(型號(hào)8160、8125、8165)；

工廠污泥(平均含水率92%，氧化污泥和生化污泥體積比3∶7)。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 污泥脫水率的測定

取1 000 mL混合污泥置于燒杯中，分別在不同轉(zhuǎn)速、不同絮凝劑條件下進(jìn)行攪拌，1 min后移至布氏漏斗進(jìn)行真空抽濾脫水，記錄脫水時(shí)間和濾液體積。

2.3.2 濾餅含水量的測定

將20 g濾餅放置在烘箱中，于102 ℃的溫度下烘干8 h，將濾餅取出置于真空干燥器內(nèi)，冷卻到室溫并稱重，計(jì)算烘干前后濾餅的失水率。

2.3.3 絮體顆粒大小的標(biāo)定

將污泥放入100 mL燒杯中，并加入不同的絮凝劑攪勻后，倒入200 mL量筒中，靜置0.5 h后測量下層絮狀體的高度。

2.3.4 工業(yè)裝置應(yīng)用驗(yàn)證

將實(shí)驗(yàn)研究得出的最佳絮凝劑配方、攪拌速度、攪拌時(shí)間應(yīng)用到廢水車間污泥處理裝置，并通過分析板框式壓濾機(jī)壓濾的濾餅的含水率做出工業(yè)應(yīng)用驗(yàn)證。

用作污泥脫水的壓濾機(jī)，操作數(shù)據(jù)如下：

(1)過濾面積：2.5 m2；

(2)過濾室容積：393 L；

(3)過濾壓力：0.6 MPa。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同絮凝劑對(duì)處理混合污泥效果的影響

在相同的條件下，分別使用PAM8160、PAM8125和PAM8165絮凝劑處理混合污泥，在相同的沉降時(shí)間內(nèi)，記錄絮狀體的大小、沉降速度、上層清液的透明度及高度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知 PAM 8125對(duì)該混合污泥的絮凝效果更好。

表1 不同規(guī)格的PAM污泥絮凝效果比較Table 1 Comparison of the flocculation effect of different sizes of PAM sludge

3.2 絮凝劑配比對(duì)處理混合污泥效果的影響

在6個(gè)相同混合污泥樣品(1 000 mL)中分別加入20 mL絮凝劑，絮凝劑分別為PAM 8125溶液與氯化鐵溶液配比1∶1，2∶1，3∶1，4∶1的復(fù)合絮凝劑以及單一的PAM 8125溶液，單一的氯化鐵溶液。由圖2可以看出，當(dāng)PAM在復(fù)合絮凝劑中的占比為75%即為PAM 8125溶液與氯化鐵溶液配比為3∶1時(shí)，濾液量最大，效果最好。

圖2 不同種類的絮凝劑與濾液量之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between different types of flocculants and filtrate volumes

3.3 絮凝劑用量對(duì)處理混合污泥效果的影響

分別使用單一氯化鐵絮凝劑、單一PAM 8125絮凝劑以及PAM 8125與三氯化鐵體積比為3∶1的復(fù)合絮凝劑，在6個(gè)相同混合污泥樣品(1 000 mL)中分別加入5 mL、10 mL、15 mL、20 mL、30 mL、40 mL的量，測量濾液體積。

圖3 絮凝劑加入量與濾液量之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the amount of flocculant added and the amount of filtrate

由圖3可以看出，濾液量隨著絮凝劑加入量的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，而復(fù)合絮凝劑的整體效果都是優(yōu)于其他類型絮凝劑。當(dāng)復(fù)合絮凝劑用量在15 mL/L時(shí)，脫水效果最佳，因此復(fù)合絮凝劑的最佳投加范圍為15～20 mL/L。

3.4 攪拌速度對(duì)絮體的影響

在1 000 mL混合污泥中加入15 mL PAM 8125溶液與三氯化鐵溶液3∶1的復(fù)合絮凝劑，分別在攪拌器轉(zhuǎn)速100 r/m、200 r/m、300 r/m、400 r/m、500 r/m、1 000 r/m下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 攪拌器轉(zhuǎn)速對(duì)濾液量及濾餅含水量的影響Fig.4 Effect of stirrer speed on filtrate volume and cake moisture content

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)于污泥脫水效果有著十分明顯的影響。攪拌器具有加快污泥脫穩(wěn)絮凝，有效混勻的作用，但是過度的機(jī)械攪動(dòng)容易打碎絮團(tuán)，影響絮凝效果。當(dāng)攪拌速度在100～200 r/m時(shí)，混合污泥具有極佳的脫水效果，考慮到轉(zhuǎn)速在100 r/m時(shí)需要更多的絮凝成團(tuán)時(shí)間，因此攪拌速度為200 r/m為最佳選擇。

3.5 工業(yè)裝置驗(yàn)證最優(yōu)化操作條件

由上述實(shí)驗(yàn)得出最佳的方案及工藝參數(shù)如下：

絮凝劑：PAM 8125(0.25%)：三氯化鐵(41%)=3∶1；

絮凝劑投加量為所處理混合污泥體積的1.5%；

攪拌速度：200 r/m。

在工廠污泥脫水裝置上應(yīng)用，連續(xù)跟蹤一周的時(shí)間，對(duì)壓濾機(jī)壓出的濾餅采樣進(jìn)行含水率測試，數(shù)據(jù)見表2。

表2 脫水裝置壓濾機(jī)濾餅采樣含水率分析Table 2 Analysis of the water content of filter cake sampled from dewatering unit filter presses

5個(gè)濾餅樣品的平均含水率為73%，與原來濾餅92%的含水率相比脫水效果顯著。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)于成分復(fù)雜的生化、化學(xué)氧化混合污泥，由無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑復(fù)配的復(fù)合絮凝劑能夠兼容兩種類型的絮凝劑特點(diǎn)，具有優(yōu)秀的絮凝效果。PAM 8125與三氯化鐵3：1配比時(shí)，并且控制絮凝劑加入量為污泥總量的1.5%時(shí)，處理混合污泥效果最佳，同時(shí)相比單獨(dú)使用氯化鐵作為絮凝劑時(shí)污泥總量降低了40%，降低污泥處理成本以及減少了環(huán)境污染。

(2)需要考慮現(xiàn)場工藝條件的影響因素，在投加絮凝劑脫穩(wěn)絮凝時(shí)，攪拌速度對(duì)最終的污泥絮凝脫水效率影響很大，攪拌速度過快，易將成型的絮團(tuán)打碎。經(jīng)過驗(yàn)證，當(dāng)控制攪拌速度為200 r/m左右時(shí)，既能加快絮凝沉降，又能保證絮凝效果。實(shí)驗(yàn)條件下，污泥含水率可以從92%降至73%。